Как реализованы защита от перегрузки по току цифровых источников питания и аппаратная часть схем постоянного тока?

Технические обсуждения Электроника мощности
, ,
1

Как реализуются защита от перегрузки по току цифровых источников питания и аппаратная часть схем постоянного тока?

2

Представьте это так: защита от сверхтока, по сути, спрашивает: «Течёт ли слишком большой ток?» — и затем отключает всё до того, как что-то сломается.

В цифровом источнике питания ток измеряют, вставляя в цепь крошечный резистор (называемый токоизмерительным резистором). Когда через него течёт ток, на нём возникает небольшое падение напряжения. Это напряжение усиливают, подают на АЦП, и микроконтроллер его считывает. Если значение превышает заданный порог — бац: МК отключает сигнал ШИМ, и ключ перестаёт проводить ток.

Постоянный ток концептуально похож, но вместо простого отключения схема активно регулирует выход, чтобы поддерживать ток стабильным. Например, если вы питаете светодиоды, вам нужно, чтобы ток оставался, скажем, 350 мА независимо от того, что делает нагрузка. Схема постоянно измеряет ток и подстраивает коэффициент заполнения, чтобы удерживать его на этом уровне.

«Цифровая» часть означает лишь то, что вычисления и принятие решений выполняет микросхема (МК/DSP), а не чисто аналоговые компараторы и операционные усилители. Оба подхода имеют право на жизнь: цифровые дают больше гибкости, но аналоговые обычно быстрее.

3

В этом посте проблема на самом деле довольно серьёзная: защита от перегрузки по току и схема поддержания постоянного тока, хотя оба вопроса связаны с измерением тока, — это совершенно разные вещи.

Защита от перегрузки по току в первую очередь касается «защиты» — при обнаружении аномалии цепь отключается. Поддержание постоянного тока — это прежде всего «управление» — активная регулировка для обеспечения постоянства тока. Уточните, пожалуйста, какое именно направление вас интересует: проектирование защиты цифрового источника питания или реализация выхода с постоянным током на базе цифрового решения?

Кроме того, что именно вы имеете в виду под «цифровым источником питания»? Buck? Boost? Или изолированная топология? В разных топологиях место и способ измерения тока сильно отличаются. Если речь о Buck, то измерение тока дросселя и измерение выходного тока — это не одно и то же, и логика защиты тоже отличается.

Есть ещё один ключевой вопрос — насколько быстро должна срабатывать ваша защита от перегрузки по току? Если это защита от короткого замыкания, может потребоваться аппаратный компаратор с временем реакции порядка нс, напрямую снимающий сигнал с gate. Если же это просто защита от перегрузки, то программного опроса и принятия решения вполне достаточно.

4

Честно говоря, сам вопрос немного смешивает две не связанные между собой вещи.

Защита от перегрузки по току — это механизм защиты, а схема стабилизации тока — это способ управления. Единственное, что у них общего, — это необходимость измерять ток. Более того, выражение «защита от перегрузки по току в цифровом источнике питания» тоже не совсем точное: будь то цифровой или аналоговый источник питания, аппаратная реализация защиты от перегрузки по току по сути одинакова: измерение тока + сравнение + отключение. Разница лишь в том, что в цифровом источнике питания MCU может выполнять более сложные функции, например многоступенчатую защиту, регистрацию неисправностей, стратегии автоматического восстановления и т. п.

По-настоящему стоит обсуждать другое: как в архитектуре с цифровым управлением должны взаимодействовать программная и аппаратная защита? Какие виды защиты обязательно должны выполняться аппаратно, а какие можно поручить программной части? Как найти баланс между скоростью реакции и гибкостью?

Кроме того, если речь идёт только об аппаратной реализации схемы стабилизации тока, то к «цифровому» управлению это почти не имеет отношения. Аналоговые решения для стабилизации тока существуют уже десятки лет. Преимущество цифрового регулирования тока — программируемость и адаптивность, но сначала нужно обеспечить точное измерение тока.

5

С точки зрения системного управления реализация этих двух механизмов требует баланса между «скоростью реакции» и «точностью управления»:

  1. Многоуровневая конструкция защиты от перегрузки по току (OCP):

    • Переходная перегрузка по току (короткое замыкание): высокий порог срабатывания, требование к времени реакции — микросекунды или даже наносекунды. На аппаратном уровне используется оконный компаратор (Window Comparator) для контроля напряжения на выводах измерительного резистора; выходной сигнал напрямую запускает аппаратную блокировку, полностью отключая драйвер.

    • Длительная перегрузка (программная OCP): более низкий порог срабатывания, допустима определённая задержка. С помощью ADC выполняется периодическая выборка, затем в цифровой области применяется цифровая фильтрация (например, IIR-фильтр низких частот), после чего программный автомат состояний (State Machine) определяет, следует ли запускать режим «икания» (Hiccup) или отключение с блокировкой.

  2. Аппаратная архитектура схемы стабилизации тока (CC): по своей сути стабилизация тока представляет собой преобразователь «напряжение — ток» с отрицательной обратной связью. В цифровых источниках питания наиболее распространённой является архитектура «цифровая уставка + аналоговый контур». То есть MCU через SPI/I2C управляет цифровым потенциометром или напрямую через встроенный DAC формирует опорное напряжение тока (Vref), тогда как собственно управление контуром (включая выборку и усиление, PI-регулирование и устранение ошибки) полностью выполняется аппаратно высокоширокополосными аналоговыми операционными усилителями и RC-сетями компенсации. Такая архитектура сохраняет гибкость цифрового управления и одновременно обеспечивает высокую скорость переходной реакции аналогового контура.

6

Одолжу место для разговора: есть ли такое решение, чтобы установить входное напряжение 60 В/10 А, а на выходе получить регулировку от 5 до 60 В и регулировку тока от 100 мА до 10 А? Тогда я смогу моделировать выходные IV-кривые солнечных батарей!

image
image1038×682 89.5 KB

7

Да, это вполне возможно: такое решение не только существует, но и является стандартным оборудованием в области испытаний устройств на новых источниках энергии.

Описанные вами функции — 60 В/10 А, регулировка 5–60 В, регулировка 100 мА–10 А, имитация IV-характеристики солнечной батареи — соответствуют профессиональному устройству под названием программируемый имитатор массива солнечных батарей (Solar Array Simulator, SAS). Его также часто называют источником постоянного тока для имитации IV-характеристики.

В зависимости от того, хотите ли вы сразу купить готовое устройство или разработать его самостоятельно, можно рассмотреть три варианта реализации:

Вариант 1: купить готовый прибор (самый рекомендуемый, экономит время и силы)

Сейчас на рынке есть зрелые коммерческие продукты, соответствующие заданным вами параметрам 60 В/10 А — 600 Вт.

  • Примеры брендов и моделей: серия 62000H от Chroma, IT-M3400 или серия IT6000 от ITECH, серия N8900 от Keysight и др.
  • Ключевое преимущество: встроенные наборы стандартных моделей IV-характеристик — например, с одним пиком или двумя пиками. Вам нужно только задать на экране V_{OC} — напряжение холостого хода, I_{SC} — ток короткого замыкания и точку максимальной мощности P_{max}, после чего встроенный DSP прибора будет в реальном времени вычислять и выдавать плавную кривую.
  • Обратите внимание: при покупке важно не перепутать: на рынке есть более дешёвые «программируемые источники питания», которые способны только на переключение в точках CV/CC, но не поддерживают динамическое отслеживание IV-характеристики. Нужно специально выбирать модель с функцией «имитатора солнечного массива».

Вариант 2: кастомная самодельная реализация на базе DSP — самостоятельная разработка)

Если вы планируете самостоятельно спроектировать печатную плату для реализации устройства, ядро системы будет заключаться в силовой аппаратной части и алгоритме программного управления. Вам потребуется решить несколько ключевых задач:

  1. Основная силовая топология — ядро аппаратной части:
    • Поскольку выходное напряжение должно регулироваться в диапазоне 5–60 В, а входное напряжение у вас составляет 60 В DC, вам понадобится понижающий преобразователь Buck или синхронный понижающий преобразователь.
    • Обратите внимание: при понижении входных 60 В до 5 В/10 А коэффициент заполнения будет очень малым, что приведёт к серьёзным проблемам с КПД. Лучше, чтобы входное напряжение находилось в районе 70–80 В — с запасом, либо использовать топологию Buck-Boost — повышающе-понижающий преобразователь, чтобы стабильно получать как 5 В, так и 60 В.
  2. Выбор управляющего чипа:
    • Нужно использовать быстрый DSP — например, серию C2000 от TI — или высокопроизводительный MCU, например STM32G4/F4.
    • Суть IV-характеристики заключается в том, что при заданном напряжении нужно выдавать определённый ток — либо при заданном токе выдавать определённое напряжение.
  3. Ключевой алгоритм — самая сложная часть:
    • Вам потребуется встроенный поиск по таблице LUT или математическая модель — например, I = I_{ph} - I_0(e^{\frac{q(V+IR_s)}{nkT}}-1).
    • Главная сложность — динамический отклик контроллера: когда нагрузка, например инвертор или DC-DC-преобразователь, пытается потреблять мощность и искать MPP — точку максимальной мощности, ваш источник должен очень быстро переключаться между режимами CV и CC. Для этого нужен высокопроизводительный двухконтурный PI-регулятор — контур напряжения и контур тока, иначе выход будет колебаться по кривой, а то и вовсе зафиксируется в точке напряжения холостого хода или короткого замыкания.

Вариант 3: обратная имитация через «электронную нагрузку» — альтернативный подход)

Если у вас уже есть обычный программируемый источник питания и электронная нагрузка, можно реализовать схему с помощью ПО верхнего уровня.

  • Метод: соедините ваш источник постоянного тока и электронную нагрузку последовательно или подключите их через динамическое сопротивление. ПО верхнего уровня в реальном времени вычисляет точки на IV-характеристике, затем через последовательный порт или Ethernet управляет током электронной нагрузки, одновременно контролируя напряжение источника. С помощью PID-алгоритма на верхнем уровне рабочая точка принудительно выводится на кривую. Отклик будет очень медленным, подходит только для статических испытаний.

Практические рекомендации под заданные вами параметры:

  • Источник питания: если вы хотите собрать устройство самостоятельно, самый надёжный вариант — подать 220 В переменного тока на AC-DC-источник питания мощностью 600 Вт с выходом около 72 В/10 А, а затем использовать ваш DC-DC-понижающий модуль для получения 5–60 В на выходе.
  • Пульсации тока: при выходном токе 10 А, если алгоритм MPPT для имитации фотовольтаической кривой недостаточно точный, пульсации выходного тока могут быть очень большими. На выходе стоит установить достаточные LC-фильтрующие конденсаторы.
  • Особое внимание: «выход» у такого устройства отличается от обычного источника питания — это не простой стабилизированный источник напряжения. Если подключить мультиметр к выходу, вы увидите, что напряжение постоянно динамически меняется, потому что алгоритм непрерывно ищет точку максимальной мощности. Это абсолютно нормально.

Итоговая рекомендация:
Если устройство нужно для НИОКР в компании или производственной линии, настоятельно рекомендуется купить готовое изделие, потому что самостоятельная разработка 600-ваттного высокочастотного источника питания в сочетании со сложным замкнутым алгоритмом управления займёт очень много времени, а по стабильности будет трудно приблизиться к коммерческим приборам. Если же цель — академическое исследование или учебная разработка, лучше использовать базовую схему Buck-топология + DSP-алгоритм LUT-поиск + двухконтурное управление.